CN103677015A - 半导体工艺热处理设备的温度控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体工艺热处理设备温度控制系统及方法，该系统包括：感温单元，用于测量热处理设备的实时温度并输出；温度信号处理单元，根据工艺参数和实时温度，生成温度控制参数；其中，温度控制参数包括热处理设备升温阶段和恒温阶段的切换指令；功率输出单元，包括第一功率模块和第二功率模块，分别用于向热处理设备输出第一范围值电功率和第二范围值电功率；功率控制单元，生成功率控制参数，以选择在热处理设备升温阶段向第一功率模块输出功率控制参数，或在热处理设备恒温阶段向第二功率模块输出功率控制参数。通过将加热过程分阶段进行，本发明可缩短工艺时间、降低能耗、提高产能，使整个工艺得到最佳程度的优化。

Description

半导体工艺热处理设备的温度控制系统及方法

技术领域

本发明涉及半导体加工制造技术领域，更具体地说，涉及一种用于半导体工艺热处理设备的温度控制系统及温度控制方法。

背景技术

随着半导体制造工艺和集成度的不断提高，对硅片表面的工艺处理精度及整个工艺时间提出了更高的要求，这些都依赖于工艺过程中温度控制的精度及系统响应时间。

半导体制造的工艺过程通常由若干次不同的“升温—恒温—降温”过程组成，如果能够较好的控制这些温变过程就能缩短工艺时间、降低能耗、提高产能，使整个工艺得到最佳程度的优化。

现有技术中，半导体热处理设备在升温及恒温阶段的电力供给均采用同一温度控制单元来控制电力的输出，其在工艺质量要求不高或产能要求不大的情况下并无问题，但是，在工艺要求高、工艺复杂或产能较大的场合，这样的温度控制策略很难保证热处理设备同时具有升温阶段的快速升温能力以及恒温阶段的高精度的温度控制能力，并且这种矛盾在低温控制时表现的尤为明显。

因此，提供一种既具有快速升温性能又具有高精度恒温控制性能的温度控制系统，是本发明需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种半导体工艺热处理设备的温度控制系统。

为实现上述目的，本发明提供一技术方案如下：

一种半导体工艺热处理设备温度控制系统，用于在热处理设备升温或恒温阶段中控制其温度，系统包括：感温单元，设于热处理设备中，用于测量热处理设备的实时温度并输出；温度信号处理单元，根据相应工艺配方中的工艺参数和感温单元输出的实时温度，生成温度控制参数；其中，工艺参数包括热处理设备的目标温度值及升温速率，温度控制参数包括热处理设备升温阶段和恒温阶段的切换指令；功率输出单元，包括第一功率模块和第二功率模块，第一、第二功率模块分别用于向热处理设备输出第一范围值电功率和第二范围值电功率，第一范围值大于第二范围值；功率控制单元，用于根据温度信号处理单元输出的温度控制参数生成功率控制参数，以选择在热处理设备升温阶段向第一功率模块输出功率控制参数，或在热处理设备恒温阶段向第二功率模块输出功率控制参数。

优选地，功率输出单元还包括第一选择单元，第一选择单元根据功率控制参数选择启动第一功率模块或第二功率模块，以分别输出第一范围值电功率或第二范围值电功率。

优选地，第一和/或第二功率模块还包括提供给功率控制单元的回馈端，用于将实际输出功率值反馈给功率控制单元以对功率控制参数形成闭环控制。

优选地，第一功率模块至少包括第一变压器，第一变压器与交流电网连接，以供给第一范围值电功率；第二功率模块至少包括第二变压器，第二变压器与交流电网连接，以供给第二范围值电功率；其中，第一变压器的变比系数小于第二变压器的变比系数。

优选地，第一功率模块包括第二选择单元、第三功率模块和第四功率模块，第二选择单元根据功率控制参数选择启动第三功率模块或第四功率模块，以分别输出第三范围值电功率或第四范围值电功率；其中，第一范围值包括第三范围值和第四范围值，第三范围值大于第四范围值。

本发明的另一目的在于提供一种用于半导体热处理设备的温度控制方法。

为实现上述目的，本发明提供又一技术方案如下：

一种半导体工艺热处理设备的温度控制方法，包括如下步骤：a)、获取工艺配方中的工艺参数，工艺参数包括热处理设备的目标温度值及升温速率；b)、测量热处理设备的实时温度；c)、根据实时温度与工艺参数生成一组温度控制参数；其中，温度控制参数包括热处理设备升温阶段和恒温阶段的切换指令；d)、根据温度控制参数生成一组功率控制参数；e)、根据功率控制参数分别向热处理设备供给第一范围值电功率或第二范围值电功率，以分别使热处理设备工作于升温阶段或恒温阶段；其中，第一范围值大于第二范围值。

本发明提供的用于半导体热处理设备的温度控制系统，根据半导体热处理设备的特性，将对热处理设备的温度控制过程分为不同的阶段分别进行，在升温阶段中对热处理热备输出大功率电力以获得快速升温性能，在恒温阶段对其输出小功率电力，以获得良好恒温控制性能。在工艺要求高、工艺复杂或产能较大的场合，本发明可缩短工艺时间、降低能耗、提高产能，使整个工艺得到最佳程度的优化，从而利于在半导体行业领域内推广。

附图说明

图1示出本发明第一实施例的温度控制系统结构示意图；

图2示出本发明第一实施例的温度控制系统中第一功率模块结构示意图；

图3示出本发明第二实施例的温度控制系统结构示意图；

图4示出本发明第三实施例的温度控制方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，本发明任一实施例中提供的温度控制系统或温度控制方法，均用于在半导体工艺中控制热处理设备的温度。在半导体工艺中，工艺配方确定了工艺参数，工艺参数至少包括热处理设备的目标温度值及其在各个工艺过程的升温速率。本发明通过分阶段控制以及闭环控制，以达成使热处理设备按设定轨迹升温或精确恒温的目的。

如图1所示，本发明第一实施例提供的电力控制系统，用于控制半导体热处理设备10的温度，其包括感温单元21、温度信号处理单元22、功率控制单元23和功率输出单元24。

其中，感温单元21设置于热处理设备10中，可实时感测热处理设备10的温度；温度信号处理单元22接收工艺参数（至少包括热处理设备10的目标温度值及其在各个工艺过程的升温速率），同时接收感温单元21传来的热处理设备10的实时温度，根据工艺参数与热处理设备10实时温度生成温度控制参数，温度控制参数包括热处理设备升温阶段和恒温阶段的切换指令；功率控制单元23接收温度信号处理单元22传来的温度控制参数，生成功率控制参数；功率输出单元24根据功率控制参数，可选择性地向热处理设备10输出第一范围值电功率或第二范围值电功率。

第一范围值电功率用于确保热处理设备10获得快速升温能力，并定义发明所指的热处理设备升温阶段，第二范围值电功率用于使热处理设备10缓慢地升温、或保持在某一恒定温度附近，并定义本发明所指的热处理设备恒温阶段。第一范围值应大于第二范围值。

具体地，温度信号处理单元22可为一PID控制器，其根据热处理设备10的目标温度值、实时温度、它们之间的差异以及其升温速率，通过闭环控制以及比例、积分、微分三个环节，确定一组温度控制参数，温度控制参数至少包括热处理设备升温阶段和恒温阶段的切换指令。

功率控制单元23根据热处理设备温度与加热电功率的对应关系，将温度控制参数转化为功率控制参数。热处理设备温度与加热电功率的对应关系可事先通过多次实验而获得统计结果，从而建立一功率控制参数的算式，或形成一温度控制参数与功率控制参数的关系数据库。其中，升温阶段和恒温阶段的切换指令由功率控制单元23接收后，可由功率输出单元24具体执行升温阶段和恒温阶段的切换，或者，也可由功率控制单元23自身具体执行这种切换。

功率输出单元24接收功率控制参数，其包括第一选择单元251、第一功率模块241和第二功率模块242，第一选择单元241可根据由功率控制单元23接收并转换后的切换指令，或根据划分为不同类的功率控制参数，选择启动第一功率模块241或第二功率模块242，以分别向热处理设备10输出第一范围值电功率或第二范围值电功率，使其分别对应于升温阶段和恒温阶段。即第一选择单元251实际上执行了升温阶段和恒温阶段的切换，第一功率模块241与第二功率模块242不会同时处于启动状态，而第一功率模块241的输出功率大于、甚至明显高于第二功率模块242的输出功率。

进一步地，第一功率模块241或第二功率模块242的实际输出状态可以反馈给功率控制单元23，从而又形成另一闭环控制（附图中未示出给反馈回路），功率控制单元23此时不仅依据温度信号处理单元22输出的温度控制参数，还依据第一功率模块241或第二功率模块242的回馈，也采用例如PID控制，修正其输出的功率控制参数，从而使系统控制精度进一步上升，加热过程进一步获得优化。

进一步地，如图2所示，第一功率模块241又可包括第二选择单元252、第三功率模块2410和第四功率控制模块2411，第二选择单元252根据工艺需求可将快速升温阶段再划分为至少2个子阶段，每个子阶段具有不同的升温速度。第二选择单元252通过选择启动第三功率模块2410或第四功率控制模块2411，分别输出第三范围值电功率和第四范围值电功率，使热处理设备10获得不同的升温速度。其中，第一范围值包括第三范围值和第四范围值，第三范围值大于第四范围值。

在上述电力控制系统每次对输出电功率进行控制调整后，热处理设备10中的感温单元21又可实时测量到热处理设备10中的温度，再将实时温度反馈回温度信号处理单元22后，可根据反馈闭环控制原理再次启动对输出电功率的调节过程，从而整个温度控制过程是不断进行的。

例如，工艺的目标温度值为700℃，可以将由当前温度至690℃的工艺段设定为快速升温阶段，将690℃-700℃以及维持在700℃的工艺段设定为精确恒温阶段。在快速升温阶段，第一选择单元251选择启动第一功率单元241，向热处理设备10输出第一范围值电功率；在精确恒温阶段，第一选择单元251选择启动第二功率单元242，向热处理设备10输出第二范围值电功率。

进一步地，第一功率模块241至少包括第一变压器，第一变压器与交流电网（例如提供220V交流电）连接，以供给第一范围值电功率；第二功率模块242至少包括第二变压器，第二变压器与交流电网连接，以供给第二范围值电功率；其中，第一变压器的变比系数小于第二变压器的变比系数。

上述第一实施例将对热处理设备10的加热过程分为不同的阶段区别对待，在升温阶段，以大功率电力输出使其获得快速升温；在恒温阶段，以小功率电力输出来保证控温精度；从而，降低了工艺耗能，缩短了工艺时间。

如图3所示，本发明第二实施例提供的电力控制系统，用于控制半导体工艺热处理设备10的温度，其包括感温单元21、温度信号处理单元22、功率控制单元23和功率输出单元24。

与上述第一实施例中不同的是，功率控制单元23包括第三选择单元253、第一控制模块231和第二控制模块232，第三选择单元253根据温度控制参数中包含的升温阶段和恒温阶段的切换指令选择启动第一控制模块231或第二控制模块232，以分别生成第一功率控制参数或第二功率控制参数，从而，功率控制单元23直接执行升温阶段和恒温阶段的切换；功率输出单元24包括第一功率模块241和第二功率模块242，第一功率模块241接收第一功率控制参数以输出第一范围值电功率，第二功率模块242接收第二功率控制参数以输出第二范围值电功率。

上述第二实施例中，在功率控制单元23即由第三选择单元253根据温度信号处理单元22传来的温度控制参数（包含切换指令），以不同的控制模块（即第一、第二控制模块231、232）分别生成不同的两类功率控制参数，即第一功率控制参数和第二功率控制参数。由不同的控制模块分别生成，使得该两类功率控制参数更具有区别性与针对性。第一功率控制参数输出给第一功率模块241，第二功率控制参数输出给第二功率模块242，以分别输出第一范围值电功率、第二范围值电功率，分别对应于快速升温阶段和精确恒温阶段。

进一步地，第一功率模块241还包括提供给第一控制模块231的回馈端，用于将实际输出功率值反馈给第一控制模块231以对第一功率控制参数形成闭环控制；第二功率模块242还包括提供给第二控制模块232的回馈端，用于将实际输出功率值反馈给第二控制模块232以对第二功率控制参数形成闭环控制（图3中未示出回馈端）。

其中，与本发明前述第一实施例类似地，第一功率模块241又可包括第二选择单元252、第三功率模块2410和第四功率控制模块2411，第二选择单元252根据工艺需求可将快速升温阶段再划分为至少2个子阶段，每个子阶段具有不同的升温速度。（在本发明其他实施例中，恒温阶段也可以被划分至低升温速率，例如1℃/min，的升温阶段。）第二选择单元252通过选择启动第三功率模块2410或第四功率控制模块2411，分别输出第三范围值电功率和第四范围值电功率，使热处理设备10获得不同的升温速度。

进一步地，第一功率模块241与专用的第一电源连接（附图未示出），以向热处理设备10供给第一范围值电功率；第二功率模块242与专用的第二电源连接，以供给第二范围值电功率。

该第二实施例同样将对热处理设备的加热过程分为不同的阶段分别进行，或选择向热处理热备输出大功率电力以获得快速升温性能，或选择向其输出小功率电力以获得良好恒温控制性能。尤其适用于工艺要求高、工艺复杂或产能较大的场合，可缩短工艺时间、降低能耗、提高产能。

如图4所示，本发明第三实施例提供一种半导体工艺热处理设备的温度控制方法，专用于前述第一或第二实施例提供的电力控制系统中，其包括如下步骤：

步骤S10、获取工艺配方中的工艺参数，工艺参数至少包括热处理设备的目标温度值及升温速率。

步骤S11、测量热处理设备的实时温度。

步骤S12、根据实时温度与工艺参数生成一组温度控制参数。

步骤S13、根据温度控制参数生成一组功率控制参数。

步骤S14、根据功率控制参数分别向热处理设备供给第一范围值电功率或第二范围值电功率，以分别使热处理设备工作于升温阶段或恒温阶段。

其中，工艺参数包括热处理设备的目标温度值，温度控制参数包括热处理设备升温阶段和恒温阶段的切换指令；第一范围值大于第二范围值。

进一步地，步骤S13中，温度控制参数由一PID控制器根据热处理设备的实时温度、目标温度值，并结合其升温速率生成。

在步骤S14之后，可回到步骤S10进行下一轮的控制过程，从而实现实时控制与闭环控制。

与第一、第二范围值电功率分别对应，该方法可将对热处理设备的加热过程区分为快速升温阶段和精确恒温阶段，可达到工艺时间缩短、能耗降低、产能提高等技术效果，使整个工艺得到最佳程度的优化，从而利于在半导体行业领域内推广。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (12)

1.一种半导体工艺热处理设备温度控制系统，用于在所述热处理设备升温或恒温阶段中控制其温度，所述系统包括：

感温单元，设于所述热处理设备中，用于测量所述热处理设备的实时温度并输出；

温度信号处理单元，根据相应工艺配方中的工艺参数和所述感温单元输出的实时温度，生成温度控制参数；其中，所述工艺参数包括所述热处理设备的目标温度值及升温速率，所述温度控制参数包括所述热处理设备升温阶段和恒温阶段的切换指令；

功率输出单元，包括第一功率模块和第二功率模块，所述第一、第二功率模块分别用于向所述热处理设备输出第一范围值电功率和第二范围值电功率，所述第一范围值大于第二范围值；

功率控制单元，用于根据所述温度信号处理单元输出的温度控制参数生成功率控制参数，以选择在所述热处理设备升温阶段向所述第一功率模块输出所述功率控制参数，或在所述热处理设备恒温阶段向所述第二功率模块输出所述功率控制参数。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述功率输出单元还包括第一选择单元，所述第一选择单元根据所述功率控制参数选择启动所述第一功率模块或所述第二功率模块，以分别输出所述第一范围值电功率或所述第二范围值电功率。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一和/或第二功率模块还包括提供给所述功率控制单元的回馈端，用于将实际输出功率值反馈给所述功率控制单元以对所述功率控制参数形成闭环控制。

4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一功率模块至少包括第一变压器，所述第一变压器与交流电网连接，以供给所述第一范围值电功率；所述第二功率模块至少包括第二变压器，所述第二变压器与所述交流电网连接，以供给所述第二范围值电功率；其中，所述第一变压器的变比系数小于所述第二变压器的变比系数。

5.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一功率模块包括第二选择单元、第三功率模块和第四功率模块，所述第二选择单元根据所述功率控制参数选择启动所述第三功率模块或第四功率模块，以分别输出第三范围值电功率或第四范围值电功率；其中，所述第一范围值包括所述第三范围值和第四范围值，所述第三范围值大于所述第四范围值。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述功率控制单元包括第三选择单元、第一控制模块和第二控制模块，所述第三选择单元根据所述温度控制参数选择启动所述第一控制模块或所述第二控制模块，以分别生成第一功率控制参数或第二功率控制参数，所述功率输出单元包括第一功率模块和第二功率模块，所述第一功率模块接收所述第一功率控制参数以输出所述第一范围值电功率，所述第二功率模块接收所述第二功率控制参数以输出所述第二范围值电功率。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一功率模块还包括提供给所述第一控制模块的回馈端，用于将实际输出功率值反馈给所述第一控制模块以对所述第一功率控制参数形成闭环控制；所述第二功率模块还包括提供给所述第二控制模块的回馈端，用于将实际输出功率值反馈给所述第二控制模块以对所述第二功率控制参数形成闭环控制。

8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，第一功率模块与第一电源连接，以供给所述第一范围值电功率；所述第二功率模块与第二电源连接，以供给所述第二范围值电功率。

9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一功率模块包括第二选择单元、第三功率模块和第四功率模块，所述第二选择单元根据所述第一功率控制参数选择启动所述第三功率模块或第四功率模块，以分别输出第三范围值电功率或第四范围值电功率；其中，所述第一范围值包括所述第三范围值和第四范围值，所述第三范围值大于所述第四范围值。

10.如权利要求1至9中任一项所述的系统，其特征在于，所述温度信号处理单元为一PID控制器。

11.一种半导体工艺热处理设备的温度控制方法，包括如下步骤：

a)、获取工艺配方中的工艺参数，所述工艺参数包括所述热处理设备的目标温度值及升温速率；

b)、测量所述热处理设备的实时温度；

c)、根据所述实时温度与所述工艺参数生成一组温度控制参数；其中，所述温度控制参数包括所述热处理设备升温阶段和恒温阶段的切换指令；

d)、根据所述温度控制参数生成一组功率控制参数；

e)、根据所述功率控制参数分别向所述热处理设备供给第一范围值电功率或第二范围值电功率，以分别使所述热处理设备工作于所述升温阶段或恒温阶段；其中，所述第一范围值大于第二范围值。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述步骤c)中，所述温度控制参数由一PID控制器根据所述实时温度与目标温度值以及所述升温速率生成。

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